焊接药筒环焊缝缺陷超声自动检测系统设计
程耀瑜 韩 焱 胡
摘 要：结合多年科研工作，提出了焊接药筒环焊缝超声自动检测方法和系统设计方案，并设计了多输入-单输出电路，特征提取电路。
关键词：焊接药筒，超声，正交，特征提取
The Design of Automatic Testing System for Detecting the
Flaws in Ring-shaped Welding Seam of Welded
Powder Canister with Ultrasonic
Abstract：A method of auto-detecting is presented for the flaw in ring-shaped welding seam of welded powder canister，and the author designs multiple-input single-output circuit and characteristic abstract circuit．
Key words：welded powder canister,ultrasonic，orthogonal,characteristic abstract
1 焊接药筒环焊缝超声检测方法
1.1 焊接药筒介绍
焊接钢质药筒是国营753厂研制定型的火炮药筒。其筒底和筒体是由环焊机焊接而成的。在焊接处，筒底厚度为2.6 mm，筒体厚度1.6 mm，焊接后形成4～6 mm宽的环形焊缝，且内表面有起伏，不规则。在炮弹发射时，药筒内压力很大，焊缝中的疵病可能导致严重的后果。军方要求对焊缝百分之百的检验。焊缝中主要会出现气孔、横裂纹、焊偏等缺陷。为了适应生产线批量生产自动检测的要求，结合成本等因素，采用水浸超声自动检测方法。
1.2 环焊缝超声正交扫描检测方案
疵病有点状和线状两种。通过对药筒及环焊缝的具体分析，采取如图1所示方案，从两个方向对焊缝进行正交检测，这样不易漏检，也可根据两个方向获得的信息对缺陷进行定性分析。图1中三个探头装在一个探头架上，全部采用水浸聚焦探头。整个探头和药筒被测部分浸在水中(图中未画出水)。
图1(a)中，探头1是发射探头，发射的纵波在水中传播斜入射到药筒筒体，在钢板中产生A1模式的板波。板波沿垂直于焊缝的方向传播，在传播的同时部分能量以纵波的形式向水中辐射，穿过焊缝的板波到达某一点时，其辐射的纵波能量被探头2接收。当板波声束穿过的焊缝处有气孔或焊偏缺陷时，探头2接收到的信号变小。
图1(b)中，探头3发射的纵波斜入射到焊缝上，在焊缝中产生表面波，沿焊缝方向传播，当在焊道上距入射点一定距离内有横裂纹、气孔等缺陷时，表面波沿焊缝方向反射，反射回波的部分能量以纵波的形式向水中辐射，被探头3接收形成缺陷反射回波信号(无疵病时，信号幅度为零)。
通过对两组探头信号的处理与综合分析，可得出焊道上被测点的焊接情况。这就是检测的基本原理和方法。
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图1 环焊缝超声正交检测示意图 2 自动检测系统总体设计 根据检测方案，检测系统应具有以下功能： ①两组探头对同一点先后检测，并把各自的回波信号进行处理； ②提取回波信号的主要特征以便分析判断； ③为了获得整个焊道的信息，药筒和探头必须有相对运动，使系统对整个圆周的焊缝都能检测到； ④整个系统由微机进行控制和数据处理。根据检测到的数据自动做出结论； ⑤遇到不合格的药筒报警，并能在不合格的位置自动打标记，以便操作人员进行X射线检验核对。 根据以上考虑设计的检测系统框图，如图2所示。微机是监控中心，它通过测控及处理电路和各部分有机地联合在一起。测控及处理电路包括两组发射电路，回波信号预处理电路，物位检测电路，打标控制电路，状态指示电路。数据采集电路是用来对处理后的回波信号进行特征提取的，检测系统总的工作过程是：
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图2 系统组成框图 ①先检测药筒是否到位（物位检测），不到位则等待，到位给出检测指示状态； 3 多输入-单输出适配电路 正交检测方案要求对同一点进行两组探头测量。为了两组超声波不混叠，两组探头应先后分别测量，两个回波的后期处理基本相同，而工厂现有CTS-23型单通道探伤仪，为了用一个通道来处理两路信号(采用单通道探伤仪)，设计了多输入-单输出的适配电路。电路框图如图3(a)所示，工作原理是：在计算机的控制之下，控制单元首先让双探头发射，延时一定时间，打开双探头多路转换通道，使双探头接收到的信号经过预处理后，通过多路转换器进入探伤仪进行处理及后期特征提取，然后关闭双探头通道，让单探头发射，延时一定的时间后，打开单探头多路转换通道，让单探头接收的疵病信号，经过预处理后，通过多路转换器进行后期处理(始波信号通不过），然后关闭单探头通道，完成此次的检测工作 (药筒转到下一点时重复以上步骤) 。其工作时序图如图3 (b)所示。回波信号中，1为始波，2为有用信号波，3为干扰信号，干扰信号幅值时大时小，有时不出现，单探头的疵病信号是随着药筒转动而逐渐向始波移动，当移到某一点时幅值最大。
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图3 多输入-单输出适配电路及其时序图 4 疵病信号特征提取电路设计 对于双探头组接收信号，在有疵病时表现为信号幅度下降，波形略有变化（和无疵病信号比较），其主要特征是幅值，通过分析其频谱，有疵病时频谱略有展宽，根据这一特性，在信号处理电路中，设计了适合于无疵病信号频谱的带通滤波器，这样，当有疵病时，幅值进一步下降。对于单探头回波信号，当有横裂纹等疵病时，有疵病信号，其大小与疵病大小有关，所以其特性也是信号的幅值。因此，为了简化处理电路和减少处理时间，特性提取电路的功能就是要采集有用回波信号的峰值。 因为探伤仪处理后的回波信号是时域上变化很快的脉冲信号，信号过去后，为了保持住信号的峰值进行A/D转换，设计了如图4所示的两级采保电路。第一级由分立元件( 高频三极管和阻容等元件)组成，利用电容充电来采集峰值。信号到来时(SW断开)，通过D1给C2充电，由于D1的单向导电性，信号过去后，C2两端的电压等于信号的峰值，但C2的保持能力
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图4 特征提取电路 差，由集成采样保持器LF398在第一级峰保的基础上采保。所以对采集速度要求不高，它的保持特性很好，满足A/D转换的要求。
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图5 特征提取电路控制时序图 根据以上方法设计的检测系统已用于生产线正式检测，效果良好。 作者单位：太原华北工学院电子信息工程系(030051)
参考文献 [1]Szilard J.Ultrasonic Testing.New york,1982
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